JP2006092421A - Molecular orbital calculation device by elongation method, method thereof, program thereof, and recording medium - Google Patents

Molecular orbital calculation device by elongation method, method thereof, program thereof, and recording medium Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a molecular orbital calculation device by the elongation method which obtains the electron state of a molecule with the use of the self-consistent field method for the elongation method, a method thereof, a program thereof, and a recording medium therefor. <P>SOLUTION: When a Fock matrix of the calculation by the self-consistent field method is created by the molecular orbital calculation device by the elongation method, a two-electron integral (rs¾tu) in an active AO area is approximated to 0 in the range of r', s', t', u'≤0, and in the range of r'>0 and s', t', u'≤0, and is calculated in the range of r', s'>0 and t', u'≤0, in the range of t'>0 and r', u'≤0, and in the range of r', s', t'>0 and u'≤0, where r'=r-n<SB>A</SB>, s'=s-n<SB>A</SB>, t'=t-n<SB>A</SB>, and u'=u-n<SB>A</SB>. A coulomb term and an exchange term are calculated for the two-electron integral between each fragment of the active AO area and a fragment to be added. A coulomb term is calculated for the two-electron integral between a frozen AO area and a fragment to be added. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、非経験的分子軌道法により分子の電子状態を求めるエロンゲーション法の分子軌道演算装置に関し、特に、エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求めるエロンゲーション法の分子軌道演算装置、エロンゲーション法の分子軌道演算方法、エロンゲーション法の分子軌道演算プログラム及び該エロンゲーション法の分子軌道演算プログラムを記録した記録媒体に関する。   The present invention relates to a molecular orbital calculation device for an elongation method for obtaining an electronic state of a molecule by an ab initio molecular orbital method, and in particular, an elongation method for obtaining an electronic state of a molecule by using a self-consistent field method for the elongation method. The molecular orbital computing device, the molecular orbital computing method of the elongation method, the molecular orbital computing program of the elongation method, and the recording medium on which the molecular orbital computing program of the elongation method is recorded.

分子の物性は、分子を構成する原子の種類や電子状態と密接に関係している。分子の電子状態が分かれば、例えば、エネルギーの座標による微分を解析的に求めること(所謂エネルギー勾配法)により、分子のエネルギーが極小となる安定構造、遷移状態の構造及び基準振動解析等を行うことができる。また例えば、分子の反応において反応座標に対するポテンシャルエネルギーを計算することにより、その平衡点として反応系、生成系、反応中間体、遷移状態が求められる。その他、振動スペクトル、電子スペクトル、双極子モーメント、イオン化ポテンシャル、分極率及びスピン密度等を求めることができる。このように分子の電子状態が分かれば様々な分子の物性を求めることができる。   The physical properties of molecules are closely related to the types of atoms and electronic states that make up molecules. If the electronic state of a molecule is known, for example, a differential structure based on energy coordinates is analytically obtained (so-called energy gradient method), thereby performing a stable structure in which the molecular energy is minimized, a transition state structure, a normal vibration analysis, and the like. be able to. Further, for example, by calculating the potential energy with respect to the reaction coordinate in the reaction of the molecule, the reaction system, the generation system, the reaction intermediate, and the transition state are obtained as the equilibrium point. In addition, vibration spectrum, electron spectrum, dipole moment, ionization potential, polarizability, spin density, and the like can be obtained. Thus, if the electronic state of a molecule | numerator is known, the physical property of various molecules can be calculated | required.

この分子の電子状態を量子力学に基づいて近似的に求める方法として分子軌道法がある。分子の電子状態は、分子軌道によって表され、この分子軌道は、ハートリー・フォック・ローターン方程式(以下、「HFR方程式」と略記する。)と呼ばれる方程式を解くことによって得られる。このHFR方程式は、系の波動関数を1個のスレーター行列式で近似した場合に、それが基底状態に対する最良の近似となるスピン軌道の組を探し出すための方程式である。   There is a molecular orbital method as an approximate method for obtaining the electronic state of this molecule based on quantum mechanics. The electronic state of a molecule is represented by a molecular orbital, and this molecular orbital is obtained by solving an equation called a Hartree-Fock-Lautern equation (hereinafter abbreviated as “HFR equation”). This HFR equation is an equation for finding a set of spin orbits that is the best approximation to the ground state when the wave function of the system is approximated by one slater determinant.

また、分子軌道法は、HFR方程式を解く際に利用される近似の程度によって、ヒュッケル法や拡張ヒュッケル法に代表される経験的分子軌道法、2電子積分の特定の項を充分小さな値として無視すると共に計算パラメータに実測値を用いる半経験的分子軌道法、及び、物理定数を除き実測値を用いずに第1原理から全て計算によって求める非経験的分子軌道法の3つに大きく分類される。経験的分子軌道法や半経験的分子軌道法は、計算結果が近似方法やパラメータに依存するなど信頼性に欠けるという欠点を有するが、非経験的分子軌道法は、このような欠点がない点で優れている。このような非経験的分子軌道法を実行するアプリケーションプログラムとして、例えば、Gaussian94/98/03(米国、Gaussian.Inc.製)やGAMESS(米国、NRCC製)等がある。   In the molecular orbital method, depending on the degree of approximation used when solving the HFR equation, the empirical molecular orbital method represented by the Hückel method and the extended Huckel method are ignored, and specific terms of two-electron integrals are ignored as sufficiently small values. And semi-empirical molecular orbital methods that use measured values as calculation parameters, and ab initio molecular orbital methods that are all calculated from the first principle without using measured values except for physical constants. . The empirical molecular orbital method and the semiempirical molecular orbital method have the disadvantage that the calculation results depend on the approximation method and parameters, but are not reliable. The non-empirical molecular orbital method does not have such a disadvantage. Is excellent. Application programs for executing such ab initio molecular orbital methods include, for example, Gaussian 94/98/03 (US, Gaussian Inc.), GAMESS (US, NRCC), and the like.

実際に非経験的分子軌道法を用いて分子の電子状態を計算する場合、分子を構成する原子の個数Nの増加に従って計算時間が激増する。この計算時間は、一般に原子の個数Nの3乗から4乗に比例すると言われている。そのため、数個の原子から構成される分子では、実用的な時間内に分子の電子状態を計算することができるが、高分子等の多数の原子から構成される巨大分子では、実用的な時間内に分子の電子状態を計算することができず、実質的に分子の電子状態を計算することが難しかった。   When actually calculating the electronic state of a molecule using the ab initio molecular orbital method, the calculation time increases dramatically as the number N of atoms constituting the molecule increases. This calculation time is generally said to be proportional to the third to fourth power of the number N of atoms. Therefore, for molecules composed of several atoms, the electronic state of the molecule can be calculated within a practical time, but for macromolecules composed of many atoms such as macromolecules, the practical time It was difficult to calculate the electronic state of the molecule because the electronic state of the molecule could not be calculated.

そこで、本発明の一部の発明者らは、非周期性高分子の電子状態を計算するエロンゲーション法(Elongation Method)を開発した。このエロンゲーション法は、出発物(出発クラスタ)としてのオリゴマーに対し高分子の重合反応を追跡する如く順次付加物(フラグメント)としてのモノマーを付加することにより目的の高分子まで伸長させるが、そのフラグメントを付加する都度、正準分子軌道(Canonical Molecular Orbitals、以下、「CMOs」と略記する。)基底の代わりに後述の局在化分子軌道(Localized Molecular Orbitals、以下、「LMOs」と略記する。)を用いて電子状態を計算することにより、目的の高分子における電子状態を逐次的に計算する方法である。このエロンゲーション法を用いた分子の電子状態を求める分子軌道法は、例えば、非特許文献1、非特許文献2及び特許文献1等に開示されており、これを以下に概説する。   Accordingly, some inventors of the present invention have developed an elongation method that calculates the electronic state of an aperiodic polymer. In this elongation method, a monomer as an adduct (fragment) is sequentially added to an oligomer as a starting material (starting cluster) so as to follow the polymerization reaction of the polymer, and the target polymer is extended. Each time a fragment is added, instead of a canonical molecular orbitals (hereinafter abbreviated as “CMOs”) basis, a localized molecular orbital (hereinafter abbreviated as “LMOS”) described later is used. ) To calculate the electronic state of the target polymer sequentially. The molecular orbital method for obtaining the electronic state of a molecule using this elongation method is disclosed, for example, in Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Patent Document 1, and this will be outlined below.

図7は、背景技術におけるエロンゲーション法により分子の電子状態を求める分子軌道演算方法を示すフローチャートである。図8は、エロンゲーション法により分子の電子状態を求める分子軌道演算方法を説明するために各処理における分子軌道を模式的に示す図である。図9は、アクティブLMOにフラグメントを付加する場合の演算を説明するための図である。図10は、エロンゲーション法の逐次計算を説明するための図である。   FIG. 7 is a flowchart showing a molecular orbital calculation method for obtaining the electronic state of a molecule by the elongation method in the background art. FIG. 8 is a diagram schematically illustrating molecular orbitals in each process in order to explain a molecular orbital calculation method for obtaining an electronic state of a molecule by the elongation method. FIG. 9 is a diagram for explaining calculation when a fragment is added to the active LMO. FIG. 10 is a diagram for explaining the sequential calculation of the elongation method.

図7乃至図10において、エロンゲーション法により分子の電子状態を求める分子軌道演算方法は、まず、電子状態を計算したい目的の高分子に対する出発クラスタを決定し、この出発クラスタにおける原子軌道(Atomic Orbitals、以下、「AOs」と略記する。)基底によるCMOsを求める(S101)。この初期の出発クラスタは、目的の高分子における一方端から、LMOsが構築可能であって公知の分子軌道演算方法により電子状態が演算可能な長さまで、の原子数から成る目的の高分子における一部分である。LMOsが構築可能であるということは、出発クラスタの一方端における原子による相互作用がその他方端における原子に実質的に及ばないと共に他方端における原子による相互作用が実質的にその一方端における原子に及ばないことである。出発クラスタの長さは、それを構成する原子の種類によって変動するが、例えば、通常、10オングストロームから20オングストロームの長さになる。   7 to 10, in the molecular orbital calculation method for obtaining the electronic state of a molecule by the elongation method, first, a starting cluster for a target polymer for which the electronic state is to be calculated is determined, and an atomic orbital (Atomic Orbitals in this starting cluster) is determined. Hereinafter, abbreviated as “AOs”.) CMOs based on the basis are obtained (S101). This initial starting cluster is a portion of the target polymer consisting of the number of atoms from one end of the target polymer to the length at which LMOs can be constructed and the electronic state can be calculated by a known molecular orbital calculation method. It is. The fact that LMOs can be constructed means that the interaction by an atom at one end of the starting cluster does not substantially reach the atom at the other end, and the interaction by an atom at the other end substantially extends to an atom at its one end. It is not possible. The length of the starting cluster varies depending on the types of atoms constituting the starting cluster, but is usually, for example, 10 angstroms to 20 angstroms.

次に、出発クラスタの分子軌道(Molecular Orbitals、以下、「MOs」と略記する。)におけるAOs基底を混成原子軌道(hybridized Atomic Orbitals、以下、「HAOs」と略記する)基底に変換する(S102)。処理S101で求めたAOs基底によるCMOsは、図8(A)に模式的に示すように出発クラスタ全体に広がっているが、この変換により、図8(B)に模式的に示すように、出発クラスタの各原子間に存在するようになる。この変換は、式21乃至式25を用いることによって演算することができる。   Next, AOs bases in the molecular orbitals (Molecular Orbitals, hereinafter abbreviated as “MOs”) of the starting cluster are converted into hybrid atomic orbitals (hereinafter abbreviated as “HAOs”) bases (S102). . The CMOs based on the AOs basis obtained in the process S101 are spread over the entire starting cluster as schematically shown in FIG. 8A, but this conversion causes the starting as shown schematically in FIG. 8B. It exists between each atom of the cluster. This conversion can be calculated by using Expressions 21 to 25.

Figure 2006092421
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ここで、Saxは、原子aと原子x(x=b、c、d、e)との間における重なり積分であり、S axは、Saxの転置行列である。以下同様に上付き添え字の+は、転置行列であることを表す。上付きバーのUal(l=1,2,3,4)は、Sax axの固有関数あり、そして、λ alは、その固有値である。b、c、d、eは、sp混成軌道の各軌道である。 Here, S ax is an overlap integral between atom a and atom x (x = b, c, d, e), and S + ax is a transposed matrix of S ax . Hereinafter, similarly, the superscript + indicates that it is a transposed matrix. Superscript bar U al (l = 1,2,3,4) is located eigenfunction of S ax S + ax, and, lambda 2 al is its eigenvalues. b, c, d, and e are the orbits of the sp 3 hybrid orbitals.

Figure 2006092421
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ここで、Uxは、変換行列であり、x=a,b,c,d、・・・である。 Here, Ux is a transformation matrix, and x = a, b, c, d,.

Figure 2006092421
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ここで、Cは、元の原子軌道を基底とした分子軌道係数であり、C’は、混成軌道を基底とした分子軌道係数である。 Here, C is a molecular orbital coefficient based on the original atomic orbital, and C ′ is a molecular orbital coefficient based on the hybrid orbital.

Figure 2006092421
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ここで、ψ’は、同様に混成軌道基底によるj番目の分子軌道であり、χは、原子軌道である。 Here, ψ ′ j is the j-th molecular orbital based on the hybrid orbital basis, and χ s is the atomic orbital.

Figure 2006092421
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ここで、F’は、式25−1で表され、S’は、式25−2で表され、C’は、式25−3で表される。 Here, F ′ is represented by Expression 25-1, S ′ is represented by Expression 25-2, and C ′ is represented by Expression 25-3.

Figure 2006092421
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次に、出発クラスタにおけるHAOs基底によるCMOsから、特定の場所に軌道の位相が大きくなるように局在化した出発クラスタのAOs基底によるLMOsを作成する(S103)。このAOs基底によるLMOsの作成では、図8(C)に模式的に示すように、フラグメントが付加されない出発クラスタの一方端側(フローズンLMO領域A、Frozen LMO part)に軌道の位相が大きくなるように局在化したフローズンLMOs(Frozen LMOs)φと、フラグメントが付加される出発クラスタの他方端側(アクティブLMO領域B、Active LMO part)に軌道の位相が大きくなるように局在化したアクティブLMOs(Active LMOs)φとが作成される。このように出発クラスタをフローズンLMO領域とアクティブLMO領域とに分けるのは、出発クラスタとフラグメントとの相互作用は、フラグメントが付加される出発クラスタの他方端(反応末端)側でのみ起こり、フラグメントが付加されない一方端側では実質的に無視し得る程度でしか起こらないと考えられるからである。このAOs基底によるLMOsを作成する局在化処理は、式26乃至式31を用いることによって演算することができる。 Next, LMOs based on the AOs base of the starting cluster localized so that the phase of the trajectory becomes large at a specific location are created from the CMOs based on the HAOs base in the starting cluster (S103). In the creation of LMOs based on this AOs base, as schematically shown in FIG. 8C, the phase of the orbit is increased on one end side (the frozen LMO region A, the Frozen LMO part) of the starting cluster to which no fragment is added. in a frozen LMOs (Frozen LMOs) φ i localized, the other end of the starting cluster fragment is added (active LMO region B, active LMO part) active localized as orbit phase becomes large LMOs (Active LMOs) φ j are created. In this way, the starting cluster is divided into a frozen LMO region and an active LMO region. The interaction between the starting cluster and the fragment occurs only on the other end (reaction end) side of the starting cluster to which the fragment is added. This is because it is considered that it occurs only to the extent that it can be substantially ignored on the one end side where it is not added. The localization processing for creating LMOs based on the AOs base can be calculated by using Expressions 26 to 31.

Figure 2006092421
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ここで、αijは、式31−1で表され、βijは、式31−2で表され、γijは、式31−3で表され、θは、式31−4で表され、ωは、式31−5で表される。 Here, α ij is represented by Expression 31-1, β ij is represented by Expression 31-2, γ ij is represented by Expression 31-3, and θ is represented by Expression 31-4. ω is expressed by Expression 31-5.

Figure 2006092421
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次に、出発クラスタにフラグメントを付加した場合におけるMOを演算する(S104)。分子の電子状態は、例えば、フォック行列(F行列)を自己無撞着場法(Self-consistent field、SCF法)によって解くことにより求められる。このSCF法は、まず、初期電子密度を用いたF行列を対角化することによって新しい電子密度を求める。そして、この新しい電子密度を初期電子密度としてF行列を対角化することによって次の新しい電子密度を求める。これを初期電子密度とした電子密度とF行列を対角化することによって求められた電子密度とが略一致するまで繰り返す。このような手順によってSCF法では、F行列を解いている。   Next, MO is calculated when a fragment is added to the starting cluster (S104). The electronic state of a molecule can be obtained, for example, by solving a Fock matrix (F matrix) by a self-consistent field method (SCF method). In the SCF method, first, a new electron density is obtained by diagonalizing the F matrix using the initial electron density. Then, the next new electron density is obtained by diagonalizing the F matrix using the new electron density as the initial electron density. This is repeated until the electron density obtained by initializing the electron density and the electron density obtained by diagonalizing the F matrix substantially coincide. By such a procedure, the F matrix is solved in the SCF method.

このSCF法において、通常、図9(C)に示すAO基底のF行列FAOを対角化しなければならないが、LMOs基底とすることにより、このF行列FAOは、図9(A)、(B)に模式的に示すようにフラグメント(Attacking Molecule)がアクティブLMOsとのみ相互作用するので、図9(C)に示すFLMO11、FLMO12、FLMO13、FLMO21及びFLMO31の逆L字形領域部分における各要素が0として扱えることになるから、FLMO22、FLMO23、FLMO32及びFLMO33の右下領域部分のみでSCF法を実行すればよいことになる。従って、全系をまともに扱う分子軌道演算方法に較べて、計算量が軽減され、効率よく高速に演算することができる。 In this SCF method, it is usually necessary to diagonalize the F matrix F AO of the AO basis shown in FIG. 9C, but by using the LMOs basis, the F matrix F AO is converted into the F matrix F AO of FIG. since fragments as schematically shown in (B) (Attacking Molecule) is only interact with the active LMOs, inverted L-shaped F LMO11, F LMO12, F LMO13 , F LMO21 and F LMO31 shown in FIG. 9 (C) Since each element in the area portion can be treated as 0, the SCF method may be executed only in the lower right area portion of F LMO22 , F LMO23 , F LMO32, and F LMO33 . Therefore, compared with a molecular orbital calculation method that properly handles the entire system, the calculation amount is reduced, and the calculation can be performed efficiently and at high speed.

ここで、FLMO11は、フローズンLMOsの各軌道が自己の各軌道と作用する相互作用に関する各行列要素であり、FLMO12は、フローズンLMOsの各軌道がアクティブLMOsの各軌道と作用する相互作用に関する各行列要素であり、FLMO13は、フローズンLMOsの各軌道がフラグメントの各軌道と作用する相互作用に関する各行列要素である。FLMO21は、アクティブLMOsの各軌道がフローズンLMOsの各軌道と作用する相互作用に関する各行列要素であり、FLMO22は、アクティブLMOsの各軌道が自己の軌道と作用する相互作用に関する各行列要素であり、FLMO23は、アクティブLMOsの各軌道がフラグメントの各軌道と作用する相互作用に関する各行列要素である。そして、FLMO31は、フラグメントの各軌道がフローズンLMOsの各軌道と作用する相互作用に関する各行列要素であり、FLMO32は、フラグメントの各軌道がアクティブLMOsの各軌道と作用する相互作用に関する各行列要素であり、FLMO33は、フラグメントの各軌道が自己の軌道と作用する相互作用に関する各行列要素である。 Here, F LMO11 is a matrix element related to an interaction in which each orbit of frozen LMOs interacts with its own orbit, and F LMO12 relates to an interaction in which each orbit of frozen LMOs interacts with each orbit of active LMOs. Each matrix element, FLMO13, is each matrix element relating to the interaction in which each trajectory of frozen LMOs interacts with each trajectory of the fragment. F LMO21 is a matrix element related to an interaction in which each orbit of active LMOs interacts with each orbit of frozen LMOs, and F LMO22 is a matrix element related to an interaction in which each orbit of active LMOs interacts with its own orbit. Yes , FLMO 23 is each matrix element related to the interaction in which each trajectory of the active LMOs interacts with each trajectory of the fragment. F LMO 31 is a matrix element relating to an interaction in which each orbit of a fragment interacts with each orbit of the frozen LMOs, and F LMO 32 is a matrix relating to an interaction in which each orbit of a fragment interacts with each orbit of the active LMOs. The element, FLMO 33, is each matrix element relating to the interaction in which each trajectory of the fragment interacts with its own trajectory.

この出発クラスタにフラグメントを付加した場合におけるMOを演算するフラグメント付加後分子軌道演算処理は、上述のポリエチレンの場合を考えると、式32及び式33になり、式32で破線で区切られた右下部分のみ演算すればよい。   When the fragment is added to the starting cluster, the molecular orbital calculation processing after the fragment addition for calculating the MO is expressed by Equations 32 and 33 when considering the case of the above-mentioned polyethylene. Only the part needs to be calculated.

Figure 2006092421
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ここで、Hocc ij(X,Y)は、式33で表される。 Here, H occ ij (X, Y) is expressed by Expression 33.

Figure 2006092421
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ここで、φ(occ,X) は、領域X(Xはフローズン領域あるいはアクティブ領域)に局在化したj番目の占有軌道である。 Here, φ (occ, X) j is the j-th occupied orbit localized in the region X (X is a frozen region or an active region).

次に、出発クラスタにフラグメントを付加したものが目的の高分子であるか否かを判断する(S105)。判断の結果、目的の高分子ではない場合には、処理S104で求めた出発クラスタにフラグメントを付加したものを新たな出発クラスタに見なし、処理を処理S102に戻し、一方、判断の結果、目的の高分子である場合には、分子軌道の演算を終了する。   Next, it is determined whether or not a fragment obtained by adding a fragment to the starting cluster is a target polymer (S105). As a result of the determination, if the target polymer is not the target polymer, the starting cluster obtained in the process S104 is added with a fragment as a new starting cluster, and the process returns to the process S102. In the case of a polymer, the calculation of molecular orbitals is terminated.

このように動作することによって、図10(A)乃至(G)に示すように、出発クラスタにフラグメントが順次に付加されつつ、その付加の都度、電子状態が逐次演算される。図10において、楕円形のシンボルは、フラグメントであり、例えば、電子状態を計算する目的の物質が高分子である場合には、モノマーである。   By operating in this way, as shown in FIGS. 10A to 10G, fragments are sequentially added to the starting cluster, and the electronic state is sequentially calculated for each addition. In FIG. 10, an oval symbol is a fragment, for example, a monomer when the target substance for calculating the electronic state is a polymer.

ここで、アクティブLMO領域から遠く離れた末端部分(フローズンAO領域)では、フラグメントとの相互作用に寄与しないので電子状態を固定することができるから、処理S102から処理S105の繰り返し計算において計算対象から外すことができる。従って、処理S102から処理S105の繰り返し計算は、一定の長さの領域(アクティブAO領域)において実行され、しかも、このアクティブAO領域は、フラグメントが付加されるごとに、フラグメントが付加される他方端側へ順次移動(シフト)することになる。このため、計算精度を落とすことなく、効率的に、フラグメントの付加後における電子状態を演算することができる。このフローズンAO領域は、フローズンLMOにおけるフラグメントとの相互作用が所定の閾値(例えば、10−5a.u.や10−6a.u.、a.u.は、原子単位を意味する。)以下である領域である。 Here, in the terminal portion far away from the active LMO region (the frozen AO region), since it does not contribute to the interaction with the fragment, the electronic state can be fixed. Therefore, from the calculation object in the repetitive calculation from processing S102 to processing S105. Can be removed. Accordingly, the repetitive calculation from the processing S102 to the processing S105 is executed in an area of a certain length (active AO area), and this active AO area is added to the other end to which a fragment is added every time a fragment is added. It will move (shift) sequentially. For this reason, the electronic state after the addition of the fragment can be efficiently calculated without degrading the calculation accuracy. In the frozen AO region, the interaction with the fragment in the frozen LMO has a predetermined threshold (for example, 10 −5 au, 10 −6 au, au means an atomic unit). This is an area that is:

図10に模式的に示す例では、図10(A)に示すように出発クラスタは、2個のフラグメントから成り、図10(D)で示すように5個のフラグメントでアクティブAO領域が構成されている。そのため、図10(E)に示すように、6個のフラグメントになった場合に1個のフラグメントのフローズンAO領域が発生し、図10(F)及び(G)に示すように、フラグメントが付加されるごとにフラグメントの付加される他方端側へ順次フローズンAO領域が伸長し、そして、アクティブAO領域がフラグメントの付加される他方端側へ順次シフトしている。   In the example schematically shown in FIG. 10, the starting cluster consists of two fragments as shown in FIG. 10 (A), and the active AO region is composed of five fragments as shown in FIG. 10 (D). ing. Therefore, as shown in FIG. 10 (E), when there are 6 fragments, a frozen AO region of one fragment is generated, and fragments are added as shown in FIGS. 10 (F) and (G). Each time the frozen AO region is sequentially extended to the other end to which the fragment is added, the active AO region is sequentially shifted to the other end to which the fragment is added.

ここで、図10において、斜線で示す楕円形のシンボルは、アクティブAO領域のフラグメントを示し、白抜きで示す楕円形のシンボルは、フローズンAO領域のフラグメントを示す。また、図10に示す例では、フラグメントの付加される端の2個のフラグメントにおいて軌道が局在化され、フラグメントの付加される他方端側の1個において、軌道が局在化され、それぞれフローズンLMOs及びアクティブLMOsが形成されている。このフローズンLMOs及びアクティブLMOsが形成される領域、即ち、フローズンLMO領域AとアクティブLMO領域Bとから成る領域(図11では3個のフラグメント長の領域)を局在化領域と呼称することとする。   Here, in FIG. 10, the oval symbol indicated by hatching indicates a fragment of the active AO area, and the oval symbol indicated by white outline indicates a fragment of the frozen AO area. In the example shown in FIG. 10, the trajectory is localized in the two fragments at the end to which the fragment is added, and the trajectory is localized in the one at the other end to which the fragment is added. LMOs and active LMOs are formed. A region where the frozen LMOs and the active LMOs are formed, that is, a region composed of the frozen LMO region A and the active LMO region B (region of three fragment lengths in FIG. 11) is referred to as a localized region. .

このように背景技術に係るエロンゲーション法により分子の電子状態を求める分子軌道演算方法は、電子状態を計算したい巨大分子に対し出発クラスタにフラグメントを順次付加する構造を想定し、出発クラスタ上のMOsに関しては、適当なユニタリ変換によりフラグメントのMOsと強く相互作用するアクティブLMO領域に局在化した出発クラスタ上のLMOsを作成し、フラグメント上のCMOsと併せてSCF法で固有値問題を解くことにより巨大分子全体の電子状態を算出する方法である。
Akira Imamura,Yuriko Aoki,and Koji Maekawa“A theoretical synthesis of polymers by using uniform localization of molecular orbirals:Proposal of an elongation method”,J.Chem.Phys.,Vol.95,pp5419-5431(1991) 青木百合子、“プロジェクトの研究内容”、[online]、インターネット<http://aoki.cube.Kyushu-u.ac.jp/text/contents/JST_project/JST_content_new.html>、[平成16年8月31日検索] 特開2003−012567号公報
In this way, the molecular orbital calculation method for obtaining the electronic state of a molecule by the elongation method according to the background art assumes a structure in which fragments are sequentially added to a starting cluster for a macromolecule whose electronic state is to be calculated, and MOs on the starting cluster are assumed. With respect to, the LMOs on the starting cluster localized in the active LMO region that interacts strongly with the MOs of the fragment by appropriate unitary transformation are created, and the eigenvalue problem is solved by the SCF method together with the CMOs on the fragment. This is a method of calculating the electronic state of the whole molecule.
Akira Imamura, Yuriko Aoki, and Koji Maekawa “A theoretical synthesis of polymers by using uniform localization of molecular orbirals: Proposal of an elongation method”, J. Chem. Phys., Vol. 95, pp5419-5431 (1991) Yuriko Aoki, “Project Research Contents”, [online], Internet <http://aoki.cube.Kyushu-u.ac.jp/text/contents/JST_project/JST_content_new.html>, [August 31, 2004 Day search] JP 2003-012567 A

ところで、エロンゲーション法により分子の電子状態を求める場合に、HFR方程式を解く際に、通常、単純にSCF法を用いているため、計算時間を短縮するために改良の余地がある。   By the way, when the electronic state of a molecule is obtained by the elongation method, when the HFR equation is solved, the SCF method is usually simply used, so there is room for improvement in order to shorten the calculation time.

本発明は、上述の事情に鑑みて為された発明であり、背景技術よりもより高速に解析可能なエロンゲーション法の分子軌道演算装置、エロンゲーション法の分子軌道演算方法、エロンゲーション法の分子軌道演算プログラム及びエロンゲーション法の分子軌道演算プログラムを記録した記録媒体を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and is an elongation method molecular orbital calculation device, an elongation method molecular orbital calculation method, and an elongation method molecule that can be analyzed at higher speed than the background art. It is an object of the present invention to provide a recording medium in which an orbital calculation program and an elongation method molecular orbital calculation program are recorded.

上述の目的を達成するために、本発明の一態様に係る、エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求めるエロンゲーション法の分子軌道演算装置は、前記自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行することを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to one aspect of the present invention, the molecular orbital computing device of the elongation method for obtaining the electronic state of the molecule using the self-consistent field method for the elongation method is the self-consistent field. In creating the Fock matrix in the arithmetic operation, the two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−n A , When u ′ = u−n A (n A is the number of the end segment of the frozen orbit) is defined, a range satisfying r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0 and r ′> 0 and s ′, t ′ , U ′ ≦ 0 is approximated as 0, r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0, t ′> 0 and r ′, u ′ ≦ 0, and r A range satisfying ', s', t '> 0 and u' ≦ 0 is calculated, and each fragment of the active AO area and the fragment to be added are calculated. The two-electron integral (rs | tu) is calculated with the Coulomb term and the exchange term, and the two-electron integral (rs | tu) between the frozen AO region and the additional fragment is a cutoff with which the Coulomb term is calculated. A process is executed.

そして、上述の目的を達成するために、本発明の他の一態様に係る、エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求めるエロンゲーション法の分子軌道演算方法は、前記自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行することを特徴とする。 And in order to achieve the above-mentioned object, the molecular orbital calculation method of the elongation method according to another aspect of the present invention, which uses the self-consistent field method for the elongation method, When creating the Fock matrix in the operation of the self-consistent field method, the two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t −n A , u ′ = u−n A (where n A is the number of the end segment of the frozen orbit), a range that satisfies r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0, and r ′> 0 and s A range satisfying ', t', u '≤ 0 is approximated as 0, and a range satisfying r', s '> 0 and t', u '≤ 0, t'> 0 and r ', u' ≤ 0 A range to be satisfied and a range to satisfy r ′, s ′, t ′> 0 and u ′ ≦ 0 are calculated, and each of the fragments in the active AO area is added to the frame. The two-electron integral (rs | tu) is calculated by the Coulomb term and the exchange term, and the two-electron integral (rs | tu) between the frozen AO region and the additional fragment is calculated by the Coulomb term. The cut-off process is executed.

また、上述の目的を達成するために、本発明の他の一態様に係る、エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求める、コンピュータに実行させるためのエロンゲーション法の分子軌道演算プログラムは、前記自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行することを特徴とする。 In order to achieve the above object, according to another aspect of the present invention, there is provided an elongation method for causing a computer to obtain an electronic state of a molecule using a self-consistent field method as an elongation method. When the molecular orbital calculation program creates the Fock matrix in the calculation of the self-consistent field method, the two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is r ′ = rn− A , s ′ = s−. When n A , t ′ = t−n A , u ′ = u−n A (n A is the number of the end segment of the frozen orbit) is defined, a range that satisfies r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0 And r ′> 0 and a range satisfying s ′, t ′, u ′ ≦ 0 is approximated as 0, a range satisfying r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0, t ′> 0 and r A range satisfying ', u' ≦ 0 and a range satisfying r ′, s ′, t ′> 0 and u ′ ≦ 0 are calculated and active A The two-electron integral (rs | tu) between each fragment in the region and the fragment to be added is calculated as the two-electron integral (rs | tu) between the frozen AO region and the fragment to be added. ) Is characterized by executing a cut-off process in which a coulomb term is calculated.

さらに、上述の目的を達成するために、本発明の他の一態様に係る、エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求める、コンピュータに実行させるためのエロンゲーション法の分子軌道演算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体は、前記自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行することを特徴とする。 Furthermore, in order to achieve the above-described object, according to another aspect of the present invention, an elongation method for causing a computer to execute a method for obtaining an electronic state of a molecule using a self-consistent field method as an elongation method. When a computer-readable recording medium storing a molecular orbital calculation program creates a Fock matrix in the calculation of the self-consistent field method, the two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is r ′ = r If we define −n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−n A , u ′ = u−n A (where n A is the number of the end segment of the frozen orbit), r ′, s ′, t A range satisfying ', u' ≦ 0 and a range satisfying r ′> 0 and s ′, t ′, u ′ ≦ 0 are approximated as 0, and r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0. Range satisfying, t ′> 0 and range satisfying r ′, u ′ ≦ 0, and r ′, s ′, t ′> 0 The range satisfying u ′ ≦ 0 is calculated, and the two-electron integral (rs | tu) between each fragment in the active AO region and the fragment to be added is calculated as the Coulomb term and the exchange term, and is added to the frozen AO region. The two-electron integral (rs | tu) between the two fragments is characterized by performing a cut-off process in which the coulomb term is calculated.

このような構成のエロンゲーション法の分子軌道演算装置、エロンゲーション法の分子軌道演算方法、エロンゲーション法の分子軌道演算プログラム及びエロンゲーション法の分子軌道演算プログラムを記録した記録媒体では、自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行する。そのため、演算結果に実質的に寄与しない計算を省略してSCF法を実行することができるので、背景技術に較べて高速にSCF法を実行することができる。 Self-consistent in the molecular orbital calculation device of the elongation method, the molecular orbital calculation method of the elongation method, the molecular orbital calculation program of the elongation method and the molecular orbital calculation program of the elongation method having such a configuration When creating the Fock matrix in the field operation, the two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−n A , U ′ = u−n A (where n A is the number of the end segment of the frozen orbit), a range that satisfies r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0, and r ′> 0 and s ′, t A range satisfying ', u' ≦ 0 is approximated as 0, a range satisfying r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0, a range satisfying t ′> 0 and r ′, u ′ ≦ 0, and A range satisfying r ′, s ′, t ′> 0 and u ′ ≦ 0 is calculated, and the active AO The two-electron integral (rs | tu) between each fragment of the region and the fragment to be added is calculated as the two-electron integral (rs | tu) between the frozen AO region and the fragment to be added, by calculating the Coulomb term and the exchange term. ) Executes a cut-off process in which a coulomb term is calculated. For this reason, the SCF method can be executed by omitting calculations that do not substantially contribute to the calculation result, so that the SCF method can be executed at a higher speed than the background art.

本発明に係るカットオフ処理は、エロンゲーション法にSCF法を用いて分子の電子状態を求めるエロンゲーション法の分子軌道演算装置に適用することができ、高速にSCF法を実行することができる。   The cut-off processing according to the present invention can be applied to a molecular orbital computing device of an elongation method that obtains an electronic state of a molecule by using the SCF method for the elongation method, and the SCF method can be executed at high speed.

本実施形態は、本発明に係るカットオフ処理を背景技術における処理S104のフラグメント付加後の分子軌道演算処理に適用した実施形態であり、さらに、背景技術における処理S103の局在化処理も工夫し、より一層の高速化を図っている。即ち、エロンゲーション法により分子の電子状態を求める際に、正準分子軌道基底の領域局在化分子軌道に変換する変換行列をYCMO RLMOと、領域原子軌道基底の正準分子軌道を表す行列の転置行列をCRO CMO+と、領域原子軌道基底の密度行列DROにおいて非対角ブロックにおける要素をヤコビ法によって消去するための変換行列をUと、原子軌道基底の領域局在化分子軌道を表す行列をCAO RLMOと、そして、原子軌道基底の正準分子軌道を表す行列をCAO CMOとした場合に、後述の式13及び式14を用いて原子軌道基底の正準分子軌道を領域局在化分子軌道に変換する局在化処理を実行している。そして、SCF法の演算におけるF行列を作成する際に、アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、
アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行している。
This embodiment is an embodiment in which the cut-off process according to the present invention is applied to the molecular orbital calculation process after the addition of the fragment in the process S104 in the background art. Further, the localization process in the process S103 in the background technique is devised. , We are trying to speed up even more. That is, when obtaining the electronic state of a molecule by the elongation method, the transformation matrix that converts to the canonical molecular orbital-based region localized molecular orbital is Y CMO RLMO and the matrix that represents the canonical molecular orbital of the region atomic orbital basis. Is the translocation matrix of C RO CMO + , the density matrix D RO of the atomic atomic orbital basis is U and the transformation matrix for erasing the elements in the off-diagonal block by the Jacobian method, and the localized molecular orbital of the atomic orbital basis is If the matrix representing C AO RLMO and the matrix representing the atomic orbital-based canonical molecular orbital are C AO CMO , the atomic orbital-based canonical molecular orbital is defined as a region using Equation 13 and Equation 14 described later. Localization processing to convert to localized molecular orbitals is executed. Then, when creating the F matrix in the calculation of the SCF method, the two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−. Defining n A , u ′ = u−n A (n A is the number of the end segment of the frozen orbital), a range satisfying r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0, and r ′> 0 and s ′ , T ′, u ′ ≦ 0 is approximated as 0, r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0, and t ′> 0 and r ′, u ′ ≦ 0. A range and a range satisfying r ′, s ′, t ′> 0 and u ′ ≦ 0 are calculated,
The two-electron integral (rs | tu) between each fragment of the active AO region and the fragment to be added is calculated by calculating the two-electron integral (rs) between the frozen AO region and the fragment to be added by calculating the Coulomb term and the exchange term. | Tu) executes a cutoff process in which the coulomb term is calculated.

以下、本発明に係るこのような実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。
(実施形態の構成)
図1は、実施形態におけるエロンゲーション法の分子軌道演算装置の構成を示すブロック図である。図2は、直交原子軌道基底の密度行列DOAOを領域原子軌道ROに変換する変換行列Tの求め方を説明するための図である。
Hereinafter, such an embodiment according to the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the structure which attached | subjected the same code | symbol in each figure shows that it is the same structure, The description is abbreviate | omitted.
(Configuration of the embodiment)
FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration of an elongation method molecular orbital calculation apparatus according to an embodiment. FIG. 2 is a diagram for explaining how to obtain the transformation matrix T for converting the density matrix D OAO based on the orthogonal atomic orbitals into the region atomic orbitals RO.

図1において、エロンゲーション法の分子軌道演算装置1は、演算処理部11、入力部12、出力部13、内部記憶部14、補助記憶部16及びバス18を備えて構成される。   In FIG. 1, the molecular orbital computing device 1 of the elongation method includes an arithmetic processing unit 11, an input unit 12, an output unit 13, an internal storage unit 14, an auxiliary storage unit 16, and a bus 18.

演算処理部11は、例えば、マイクロプロセッサ及びその周辺回路等を備えて構成され、機能的に、分子軌道演算部111、領域局在化演算部112及び付加後分子軌道演算部113を備えると共に、制御プログラムに従い入力部12、出力部13、内部記憶部14及び補助記憶部16を当該機能に応じてそれぞれ制御する。   The arithmetic processing unit 11 includes, for example, a microprocessor and its peripheral circuits, and functionally includes a molecular orbital calculation unit 111, a region localization calculation unit 112, and a post-addition molecular orbital calculation unit 113. According to the control program, the input unit 12, the output unit 13, the internal storage unit 14, and the auxiliary storage unit 16 are controlled according to the function.

分子軌道演算部111は、出発クラスタにおけるAO基底によるCMOsを公知の分子軌道演算方法により演算する。この公知の分子軌道演算方法は、例えば、「廣田穣著、“化学新シリーズ 分子軌道法”、裳華房、1999年4月30日第1刷発行」に開示されている。   The molecular orbital calculation unit 111 calculates CMOs based on the AO base in the starting cluster by a known molecular orbital calculation method. This known molecular orbital calculation method is disclosed in, for example, “Mr. Kaeda,“ Chemical New Series Molecular Orbital Method ”, Hankabo, published on April 30, 1999, first edition”.

領域局在化演算部112は、出発クラスタにおけるAO基底によるCMOsを後述の変換行列Yを用いて直接的にLMO基底によるCMOsに変換する。   The region localization calculation unit 112 directly converts CMOs based on the AO base in the starting cluster into CMOs based on the LMO base using the conversion matrix Y described later.

この変換行列Yは、次のようにして求めることができる。まず、AO基底の密度行列Dは、式1のように表される。   This conversion matrix Y can be obtained as follows. First, the density matrix D of the AO basis is expressed as in Equation 1.

Figure 2006092421
Figure 2006092421

ここで、Cは、正準分子軌道である。そして、上付き添え字は、新しい状態を示し、下付き添え字は、基底を表す。以下も同様である。従って、CAO CMOは、AO基底の正準分子軌道である。また、dは、対角占有数行列である。そして、AOからCMOへの変換は、式2によって定義される。なお、アルファベットの数が限られていることから、背景技術における文字と発明を実施するための最良の形態における文字とは、同一の意味であるとは限らない。 Here, C is a canonical molecular orbital. The superscript indicates the new state, and the subscript indicates the base. The same applies to the following. Therefore, C AO CMO is an AO-based canonical molecular orbital. D is a diagonal occupation number matrix. And the conversion from AO to CMO is defined by Equation 2. Since the number of alphabets is limited, the characters in the background art and the characters in the best mode for carrying out the invention do not necessarily have the same meaning.

Figure 2006092421
Figure 2006092421

ここで、φ CMOは、i番目の正準軌道であり、χm AOは、m番目の原子軌道である。 Here, φ i CMO is the i-th canonical orbit, and χ m AO is the m-th atomic orbit.

制限ハートリー・フォック波動関数に対しては、占有数は、二重占有であるか非占有であるかに応じて2及び0の何れかとなる。CMOがAOの重なり積分SAOと共に規格直交条件である式3を満たす場合には、式1は、式4を満たす。 For a restricted Hartree-Fock wave function, the occupancy number is either 2 or 0 depending on whether it is double occupied or unoccupied. Equation 1 satisfies Equation 4 when CMO satisfies Equation 3 which is the standard orthogonal condition together with AO overlap integral SAO.

Figure 2006092421
Figure 2006092421

Figure 2006092421
Figure 2006092421

ここで、非直交原子軌道基底から直交原子軌道基底(OAO)に変換しておくと、計算をスムーズに進めることができる。そのためにオリジナルの基底関数からのズレが一番小さいレフディンの対称直交化の手法を用いる。オリジナルな基底関数とは、一般的に非直交原子軌道基底によって得られた正準軌道である。この非直交原子軌道基底における密度行列DAOを直交原子軌道基底に変換する変換行列Xは、SAOを対角化することによって得られ、式5のように表される。 Here, if the non-orthogonal atomic orbital base is converted to the orthogonal atomic orbital base (OAO), the calculation can proceed smoothly. For that purpose, a method of symmetric orthogonalization of Lefdin with the smallest deviation from the original basis function is used. An original basis function is a canonical orbit generally obtained by a nonorthogonal atomic orbital basis. A conversion matrix X for converting the density matrix D AO in the non-orthogonal atomic orbital base into the orthogonal atomic orbital base is obtained by diagonalizing S AO and is expressed as Expression 5.

Figure 2006092421
Figure 2006092421

ここで、Vは、SAOの固有ベクトルであり、eは、SAOの固有値である。従って、直交原子軌道基底による密度行列DOAOは、式6となる。 Here, V is an eigenvector of S AO and e is an eigenvalue of S AO . Therefore, the density matrix D OAO based on the orthogonal atomic orbital basis is expressed by Equation 6.

Figure 2006092421
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よって、式1、式6及びXX=XX=SAOから式7が導かれる。 Therefore, Expression 7 is derived from Expression 1, Expression 6, and X + X = XX + = S AO .

Figure 2006092421
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式7から分かるように、結局、DOAOの固有値は、2及び0の何れかでなければならない。固有値が2の場合は二重占有軌道であり、固有値が0の場合は非占有軌道である。 As can be seen from Equation 7, the eigenvalue of D OAO must eventually be either 2 or 0. When the eigenvalue is 2, it is a double occupied orbit, and when the eigenvalue is 0, it is an unoccupied orbit.

次に、フローズン領域及びアクティブ領域に対する占有軌道と非占有軌道とを求める。この軌道を領域局在化分子軌道(Regional Localized molecular Orbitals、以下、「RLMO」と略記する。)と呼称することとする。   Next, an occupied track and an unoccupied track for the frozen region and the active region are obtained. This orbit is referred to as “Regional Localized Molecular Orbitals (hereinafter abbreviated as“ RLMO ”)”.

図2において、フローズンLMO領域及びアクティブLMO領域に対する占有軌道と非占有軌道とを求めるには、まず、図2(A)、(B)に示すように、DOAOのサブブロックであるとフローズンLMO領域におけるDOAO(A)とアクティブLMO領域におけるDOAO(B)に分離し、これを対角化することによって領域原子軌道空間を作成する。対角化に当たって、DOAO(A)の固有ベクトルT及びDOAO(B)の固有ベクトルTは、領域原子軌道(Regional Atomic Orbitals、以下、「ROs」と略記する。)において、二重占有軌道、1重占有軌道及び空(非占有軌道)の各軌道にそれぞれ分けられる。そのため、T及びTは、図2(C)に示すように、図中「occ」で示す二重占有軌道及び1重占有軌道の要素で各行列要素が構成される左側のサブブロックSuboA、SuboBと、図中「vac」で示す非占有軌道の要素で各行列要素が構成される右側のサブブロックSubvA、SubvBとに分けられる。即ち、Tがa行b列の行列であってm列までが二重占有軌道及び1重占有軌道の要素であるとすると、SuboAは、1からm列までとなり、SubvAは、m+1列からb列までとなる。但し、m<b、n<dである。また、Tがc行d列の行列であってn列までが二重占有軌道及び1重占有軌道の要素であるとすると、SuboBは、1からn列までとなり、SubvBは、n+1列からd列までとなる。そして、フローズンLMO領域における1重占有軌道は、結合/反結合の組を成すためにアクティブ領域における1重占有軌道の混成結合軌道と結合する混成結合軌道であるが、この代わりに、フローズンLMO領域における各1重占有軌道からアクティブLMO領域における1重占有軌道に見かけ上移すことにより、近似的に全てのROが二重占有軌道及び非占有軌道の何れかの軌道とすることができる。また、水素結合によって水分子が結合するような非結合系では、当然、二重占有軌道及び非占有軌道である。従って、直交原子軌道基底の密度行列DOAOを領域軌道ROに変換する変換行列Tは、図2(D)に示すように、その1行1列からa行m列までの各要素がSuboAの各要素であり、その1行m+1列からa行m+n列までの各要素が0であり、その1行m+n+1列からa行b+n列までの各要素がSuboAの各要素であり、その1行b+n+1列からa行b+d列までの各要素が0であり、そのa+1行1列からa+c行m列までの各要素が0であり、そのa+1行m+1列からa+c行m+n列までの各要素がSuboBの各要素であり、そのa+1行m+n+1列からa+c行b+n列までの各要素が0であり、そのa+1行b+n+1列からa+c行b+d列までの各要素がSuboBの各要素である行列となる。 In Figure 2, To obtain the occupied orbitals and unoccupied orbitals for frozen LMO region and the active LMO region, first, as shown in FIG. 2 (A), (B) , frozen If it is the sub-block of D OAO LMO The region atomic orbital space is created by separating D OAO (A) in the region and D OAO (B) in the active LMO region and diagonalizing them. In diagonalization, eigenvectors T B eigenvectors T A and D OAO of D OAO (A) (B), the region atomic orbital (Regional Atomic Orbitals, below. Abbreviated as "ROs") in a double occupied orbitals Each track is divided into a single occupied track and an empty track (unoccupied track). Therefore, as shown in FIG. 2 (C), T A and T B are left sub-blocks SuboA in which each matrix element is composed of elements of double occupied trajectory and single occupied trajectory indicated by “occ” in the figure. , SuboB, and right sub-blocks SubvA and SubvB, each matrix element being composed of elements of the unoccupied orbit indicated by “vac” in the figure. That is, when T A is up to a by m columns matrix of a row b column is an element of dual occupancy trajectory and singlet occupied orbitals, SuboA is made from 1 to m columns, SubvA from m + 1 column Up to row b. However, m <b and n <d. Further, when T B until n columns a matrix of c row d column and an element of the double occupancy trajectory and singlet occupied orbitals, SuboB is made from 1 to n columns, SubvB from n + 1 column Up to d columns. The single occupied orbit in the frozen LMO region is a hybrid coupled orbit combined with the hybrid coupled orbit of the single occupied orbit in the active region to form a coupled / anti-coupled pair. Instead, the frozen LMO region By apparently shifting from each single occupied orbit in the single occupied orbit in the active LMO region, all ROs can be approximately either a double occupied or unoccupied orbit. Further, in a non-bonded system in which water molecules are bonded by hydrogen bonds, naturally, there are double occupied orbitals. Therefore, as shown in FIG. 2D, the transformation matrix T for transforming the density matrix D OAO based on the orthogonal atomic orbitals into the region orbit RO has each element from 1 row 1 column to a row m columns, as shown in FIG. Each element from the first row m + 1 column to the a row m + n column is 0, each element from the first row m + n + 1 column to the a row b + n column is each element of SuboA, and the first row b + n + 1 Each element from column a row b + d column is 0, each element from a + 1 row 1 column to a + c row m column is 0, and each element from a + 1 row m + 1 column to a + c row m + n column is SubB Each element from the a + 1 row m + n + 1 column to the a + c row b + n column is 0, and each element from the a + 1 row b + n + 1 column to the a + c row b + d column is a matrix of SuboB.

以上の演算方法によってT及びTからTを求める演算子を“$”で表すこととすると、Tは、式8で表すことができる。 If an operator for obtaining T from T A and T B by the above calculation method is represented by “$”, T can be represented by Expression 8.

Figure 2006092421
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式8からROの密度行列Dは、式9となり、正準分子軌道CMOから領域原子軌道ROへ変換する行列は、式10のTXで与えられる。 The density matrix D of RO from Equation 8 becomes Equation 9, and the matrix for converting from the canonical molecular orbital CMO to the region atomic orbital RO is given by T + X in Equation 10.

Figure 2006092421
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Figure 2006092421
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よって、式7及びユニタリ条件TT=TT=1から式11が求められる。 Therefore, Expression 11 is obtained from Expression 7 and the unitary condition TT + = T + T = 1.

Figure 2006092421
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この式11によって与えられるROは、フローズンLMO領域における軌道がアクティブLMO領域に伸びている部分やアクティブLMO領域における軌道がフローズンLMO領域に伸びている部分を除いて、ほぼフローズンLMO領域及びアクティブLMO領域に局在化しているが、完全に占有軌道及び非占有軌道の何れかになされていない。そこで、DROにおいてその占有軌道と非占有軌道との間で、実質的に局在化するように、例えば、演算結果が10−6以下や10−7以下となるように、ユニタリ変換を行う。これは、自然結合軌道(Natural Bond Orbital、NBO)を局在化分子軌道に変換するために例えば下記文献で行われているのと同様のヤコビ(Jacobi)法である。
文献;A.E.Reed and F.Weinhold,J.Chem.Phys.83,pp1736(1985)
The RO given by this equation 11 is substantially equal to the frozen LMO region and the active LMO region except for the portion where the trajectory in the frozen LMO region extends to the active LMO region and the portion where the trajectory in the active LMO region extends to the frozen LMO region. Is not fully occupied or unoccupied orbital. Therefore, between its occupied orbitals and unoccupied orbitals in D RO, performed to substantially localize, for example, the result is such that 10 -6 and 10 -7 or less, a unitary transformation . This is a Jacobi method similar to that performed in, for example, the following document in order to convert a natural bond orbital (NBO) into a localized molecular orbital.
Literature; AERed and F. Weinhold, J. Chem. Phys. 83, pp 1736 (1985)

領域原子軌道基底の密度行列DROにおいて、非対角ブロックにおける要素をヤコビ法によって消去するための変換行列Uを用いて式12を満たすと、領域局在化分子軌道(RLMO)基底の密度行列Dの0ではない要素が2になる。よって、AO基底からRLMO基底への変換は、その変換行列Yが式13のように表されるから、式14によって与えられる。RLMO基底は、LMO基底に当たるが導出方法が背景技術と異なることを示すために、RLMO基底と呼称することとする。 In density matrix D RO region atomic orbital basis, when the elements in the non-diagonal blocks using the transformation matrix U for erasing the Jacobi method satisfies the expression 12, the region localized molecular orbital (RLMO) basis of the density matrix The non-zero element of D is 2. Therefore, the conversion from the AO base to the RLMO base is given by Expression 14 because the conversion matrix Y is expressed as Expression 13. The RLMO base corresponds to the LMO base but is referred to as an RLMO base in order to show that the derivation method is different from the background art.

Figure 2006092421
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Figure 2006092421
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Figure 2006092421
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付加後分子軌道演算部113は、出発クラスタにフラグメントを付加した場合におけるMOを演算する。この電子状態の演算は、F行列を作成する際に2電子積分(rs|tu)の演算を一部省略するという本発明に係るカットオフ処理を用いて、F行列をSCF法によって解くことにより実行される。このカットオフ処理は、次のように実行される。   The post-addition molecular orbital calculation unit 113 calculates the MO when a fragment is added to the starting cluster. The calculation of the electronic state is performed by solving the F matrix by the SCF method using the cut-off processing according to the present invention in which the calculation of the two-electron integral (rs | tu) is partially omitted when creating the F matrix. Executed. This cut-off process is executed as follows.

即ち、アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)において、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、式15−1及び式15−2を満たす範囲では0と近似され、式15−3乃至式15−5を満たす範囲で演算される。
r’,s’,t’,u’≦0 (式15−1)
r’>0 かつ s’,t’,u’≦0 (式15−2)
r’,s’>0 かつ t’,u’≦0 (式15−3)
t’>0 かつ r’,u’≦0 (式15−4)
r’,s’,t’>0 かつ u’≦0 (式15−5)
That is, in the two-electron integral (rs | tu) of the active AO region, r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−n A , u ′ = u−n A (n A Is the number of the end segment of the frozen orbit, it is approximated to 0 in the range satisfying the equations 15-1 and 15-2, and is calculated in the range satisfying the equations 15-3 to 15-5.
r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0 (Formula 15-1)
r ′> 0 and s ′, t ′, u ′ ≦ 0 (Formula 15-2)
r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0 (Formula 15-3)
t ′> 0 and r ′, u ′ ≦ 0 (Formula 15-4)
r ′, s ′, t ′> 0 and u ′ ≦ 0 (Formula 15-5)

そして、アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)については、クーロン項及び交換項を演算し、フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)については、クーロン項を演算する。   For the two-electron integral (rs | tu) between each fragment in the active AO region and the fragment to be added, the Coulomb term and the exchange term are calculated, and two electrons between the frozen AO region and the fragment to be added are calculated. For the integral (rs | tu), the Coulomb term is calculated.

カットオフ後におけるAO基底の密度行列DTotalは、式16で表される。
Total=D$D (式16)
ここで、Dは、出発クラスタ(繰り返し計算においてフラグメントが付加され新たなに出発クラスタとみなされた出発クラスタを含む)の密度行列であり、DCurrentはフラグメントが付加されたアクティブAO領域の密度行列であり、δDは、フローズンAO領域における密度行列への寄与分である。図10(E)の場合ではDは、式16−1であり、Dは、式16−2であり、Bは、式16−1、式16−2、式17−2、式17−3では局在化領域の各フラグメントであり、A,A及びAである。
=D(A,A,A,B)
≒D(A,A,A,B,M)
≒D(A,A,A) (式16−1)
D=DCurrent(A,A,B,M)+δD(A) (式16−2)
また、カットオフ後におけるAO基底の全エネルギーETotalは、式17で表される。
Total=0.5×Tr(ETotal1Total) (式17)
ここで、WTotalは、式17−1であり、Wは、出発クラスタ(繰り返し計算においてフラグメントが付加され新たなに出発クラスタとみなされた出発クラスタを含む)の全エネルギーであり、WCurrentはフラグメントが付加されたアクティブAO領域の全エネルギーであり、δWは、フローズンAO領域における全エネルギーへの寄与分である。図10(E)の場合ではWは、式17−2であり、Wは、式17−3である。
Total=W$W (式17−1)
=W(A,A,A,B)+δW(A−M) (式17−2)
W=WCurrent(A,A,B,M)+δD[A−(A,A,B,M)]
(式17−3)
Density matrix D Total of AO basis after cutoff of formula 16.
D Total = D 1 $ D (Formula 16)
Here, D 1 is a density matrix of a starting cluster (including a starting cluster newly added as a starting cluster in the repetition calculation), and D Current is a density of the active AO region to which the fragment is added. ΔD is a contribution to the density matrix in the frozen AO region. In the case of FIG. 10E, D 1 is Formula 16-1, D is Formula 16-2, and B is Formula 16-1, Formula 16-2, Formula 17-2, Formula 17-. 3 is the fragment of the localization region in a a 4, a 5 and a 6.
D 1 = D 1 (A 1 , A 2 , A 3 , B)
≒ D 1 (A 1 , A 2 , A 3 , B, M)
≈D 1 (A 1 , A 2 , A 3 ) (Formula 16-1)
D = D Current (A 2 , A 3 , B, M) + δD (A 1 ) (Formula 16-2)
Further, the total energy E Total of the AO base after the cutoff is expressed by Expression 17.
W Total = 0.5 × Tr (E Total D 1Total ) (Formula 17)
Here, W Total is Equation 17-1, W 1 is the total energy of the starting cluster (including the starting cluster newly added as a starting cluster by adding a fragment in the iterative calculation), and W Current Is the total energy of the active AO region to which the fragment is added, and δW is the contribution to the total energy in the frozen AO region. In the case of FIG. 10E, W 1 is Expression 17-2 and W is Expression 17-3.
W Total = W 1 $ W (Formula 17-1)
W 1 = W 1 (A 1 , A 2 , A 3 , B) + δW 1 (A 1 −M) (Formula 17-2)
W = W Current (A 2 , A 3 , B, M) + δD [A 1 − (A 2 , A 3 , B, M)]
(Formula 17-3)

入力部12は、本分子軌道演算装置1の演算開始指示等の各種コマンドや構造データ及び初期電子密度等の各種データを分子軌道演算装置1に入力する機器であり、例えば、キーボードやマウス等である。出力部13は、入力部12から入力されたコマンド及びデータや本分子軌道演算装置1の演算結果等を出力する機器であり、例えばCRTディスプレイ、LCD、有機ELディスプレイ又はプラズマディスプレイ等の表示装置やプリンタ等の印字装置等である。   The input unit 12 is a device that inputs various commands such as a calculation start instruction of the molecular orbital computing device 1 and various data such as structure data and initial electron density to the molecular orbital computing device 1. is there. The output unit 13 is a device that outputs the command and data input from the input unit 12, the calculation result of the molecular orbital calculation device 1, and the like, for example, a display device such as a CRT display, LCD, organic EL display, or plasma display, A printing device such as a printer;

内部記憶部14は、演算処理部11が実行する分子軌道演算プログラムや制御プログラムを補助記憶部16から読み込むと共に、分子軌道演算プログラム実行中の各データを一時的に記憶する所謂ワーキングメモリであり、例えば揮発性の記憶素子であるRAM(Random Access Memory)を備えて構成される。   The internal storage unit 14 is a so-called working memory that reads the molecular orbital calculation program and control program executed by the arithmetic processing unit 11 from the auxiliary storage unit 16 and temporarily stores each data during execution of the molecular orbital calculation program. For example, a RAM (Random Access Memory) that is a volatile storage element is provided.

補助記憶部16は、例えばROM及びEEPROM等の不揮発性の記憶素子やハードディスク等のデータやプログラムを記憶する装置であり、本発明に係る分子軌道を演算する分子軌道演算プログラムや分子軌道演算装置1を動作させるための制御プログラム等の各プログラム(不図示)、及び、初期電子密度Dinitial等の各プログラムの実行に必要なデータ(不図示)等を記憶する。 The auxiliary storage unit 16 is a device that stores data and programs such as a nonvolatile storage element such as a ROM and an EEPROM, a hard disk, and the like, and a molecular orbital calculation program or a molecular orbital calculation device 1 that calculates molecular orbitals according to the present invention. Each program (not shown) such as a control program for operating the computer and data (not shown) necessary for executing each program such as the initial electron density D initial are stored.

これら演算処理部11、入力部12、出力部13、内部記憶部14及び補助記憶部16は、データを相互に交換することができるようにバス18にそれぞれ接続される。   The arithmetic processing unit 11, the input unit 12, the output unit 13, the internal storage unit 14, and the auxiliary storage unit 16 are connected to a bus 18 so that data can be exchanged with each other.

なお、必要に応じて分子軌道演算装置1は、図1に破線で示す外部記憶部15や通信インターフェース部17をさらに備えてもよい。   If necessary, the molecular orbital computing device 1 may further include an external storage unit 15 and a communication interface unit 17 indicated by broken lines in FIG.

外部記憶部15は、例えば、フレキシブルディスク、CD−ROM(Compact Disc Read Only Memory)、CD−R(Compact Disc Recordable)及びDVD−R(Digital Versatile Disc Recordable)等の記録媒体との間でデータを読み込み及び/又は書き込みを行う装置であり、例えば、フレキシブルディスクドライブ、CD−ROMドライブ、CD−Rドライブ及びDVD−Rドライブ等である。通信インターフェース部17は、ネットワークに接続され、ネットワークを介して他のサーバやクライアント等との間で通信信号を送受信するための機器である。   The external storage unit 15 stores data with a recording medium such as a flexible disk, a CD-ROM (Compact Disc Read Only Memory), a CD-R (Compact Disc Recordable), and a DVD-R (Digital Versatile Disc Recordable). An apparatus that performs reading and / or writing, such as a flexible disk drive, a CD-ROM drive, a CD-R drive, and a DVD-R drive. The communication interface unit 17 is connected to a network, and is a device for transmitting and receiving communication signals to and from other servers and clients via the network.

各プログラムが格納されていない場合には、これらを記録した記録媒体から外部記憶部15を介して補助記憶部16にインストールされるように構成してもよく、また、これらプログラムを管理するサーバ(不図示)からネットワーク及び通信インターフェース部17を介して各プログラムがダウンロードされるように構成してもよい。また、分子軌道の演算に当たって分子軌道演算装置1に入力すべきデータは、このデータを記憶した記録媒体によって外部記憶部15を介して分子軌道演算装置1に入力されるように構成してもよく、また、クライアントからネットワーク及び通信インターフェース部17を介して分子軌道演算装置1に入力されるように構成してもよい。   If each program is not stored, it may be configured to be installed in the auxiliary storage unit 16 via the external storage unit 15 from a recording medium in which these programs are recorded, and a server ( Each program may be downloaded from a network and communication interface unit 17 from a not-shown. In addition, the data to be input to the molecular orbital calculation device 1 in calculating the molecular orbital may be configured to be input to the molecular orbital calculation device 1 via the external storage unit 15 by a recording medium storing this data. In addition, the molecular orbital calculation device 1 may be configured to be input from the client via the network and communication interface unit 17.

次に、本実施形態の動作について説明する。
(実施形態の動作)
まず、分子軌道を求める演算対象物に対し、座標系を決定し、決定した座標系に基づき、出発クラスタの構造データを作成する。そして、構造データを入力部12を介してエロンゲーション法の分子軌道演算装置1に入力し、分子軌道演算の開始の指示を入力部12を介して分子軌道演算装置1に入力する。構造データは、出発クラスタにおける各原子の、決定した座標系に基づく座標である。
Next, the operation of this embodiment will be described.
(Operation of the embodiment)
First, a coordinate system is determined for a calculation target for obtaining a molecular orbital, and structure data of a starting cluster is created based on the determined coordinate system. Then, structural data is input to the molecular orbital calculation device 1 of the elongation method via the input unit 12, and an instruction to start molecular orbital calculation is input to the molecular orbital calculation device 1 via the input unit 12. The structure data is coordinates based on the determined coordinate system of each atom in the starting cluster.

図3は、エロンゲーション法の分子軌道演算装置の動作を示すフローチャートである。図4は、カットオフ処理を実行してフラグメント付加後の分子軌道演算処理を示すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart showing the operation of the molecular orbital computing device of the elongation method. FIG. 4 is a flowchart showing molecular orbital calculation processing after fragment addition by executing cut-off processing.

図3において、出発クラスタの構造データと演算開始の指示が入力されると、演算処理部11の分子軌道演算部111は、この出発クラスタにおけるAO基底によるCMOsを求め、この求めた結果を局在化処理部112に通知する(S11)。   In FIG. 3, when the structure data of the starting cluster and the instruction to start the calculation are input, the molecular orbital calculation unit 111 of the calculation processing unit 11 calculates CMOs based on the AO base in the starting cluster, and the calculated result is localized. Notification to the processing unit 112 (S11).

次に、この通知を受けると、演算処理部11の局在化処理部112は、出発クラスタにおけるAO基底のCMOsを上述した式13の変換行列Yを用いてRLMOs基底に変換する領域局在化処理を行い、その結果を付加後分子軌道演算部113に通知する(S12)。このように本実施形態に係るエロンゲーション法の分子軌道演算装置1は、式13の変換行列Yを用いて直接的にAO基底のCMOsをRLMOs基底に変換するので、背景技術のように、CMOsの中から任意に2つ選びこれをフローズンLMO領域及びアクティブLMO領域にそれぞれ局在化したMOに変換しこの変換を収束するまで繰り返し実行する処理を行う必要がない。そのため、背景技術の局在化処理に較べて高速に領域局在化処理を実行することができる。そして、フローズンLMO領域及びアクティブLMO領域それぞれに局在化したMOにCMOsを振り分ける場合における任意性も生じない。   Next, upon receiving this notification, the localization processing unit 112 of the arithmetic processing unit 11 converts the CMOs of the AO base in the starting cluster into the RLMOs base using the above-described transformation matrix Y of Equation 13. Processing is performed and the result is notified to the post-addition molecular orbital calculation unit 113 (S12). As described above, the molecular orbital computing device 1 of the elongation method according to the present embodiment directly converts CMOs of AO bases into RLMOs bases using the conversion matrix Y of Expression 13, and therefore, as in the background art, CMOs There is no need to select two arbitrarily from the above and convert them into MOs localized in the frozen LMO region and the active LMO region, respectively, and repeatedly execute this conversion until convergence. Therefore, the region localization process can be executed at a higher speed than the localization process of the background art. In addition, there is no volatility when CMOs are allocated to MOs localized in the frozen LMO region and the active LMO region, respectively.

次に、この通知を受けると、演算処理部11の付加後分子軌道演算部113は、カットオフ処理を用いたF行列をSCF法によって解くことにより、出発クラスタにフラグメントを付加した場合におけるMOを演算する(S13)。この処理S13を詳述すると、図4において、まず、付加後分子軌道演算部113は、初期密度行列Dinitialを用いてF行列を演算する(S21)。次に、付加後分子軌道演算部113は、フラグメントを付加した場合の正準分子軌道C(B,M)を演算する(S22)。次に、付加後分子軌道演算部113は、密度行列D、例えば式16−2で表される密度行列Dを演算する(S23)。次に、付加後分子軌道演算部113は、この密度行列Dが収束しているか否かを判断する(S24)。判断の結果、収束していない場合(No)には、付加後分子軌道演算部113は、処理を処理S21に戻し、一方、収束している場合(Yes)には、付加後分子軌道演算部113は、このフラグメント付加後の分子軌道演算処理を終了する。 Next, when this notification is received, the post-addition molecular orbital calculation unit 113 of the calculation processing unit 11 solves the F matrix using the cut-off processing by the SCF method, thereby calculating the MO when the fragment is added to the starting cluster. Calculate (S13). This processing S13 will be described in detail. In FIG. 4, the post-addition molecular orbital calculation unit 113 first calculates an F matrix using the initial density matrix D initial (S21). Next, the post-addition molecular orbital calculation unit 113 calculates the canonical molecular orbital C (B, M) when the fragment is added (S22). Next, the post-addition molecular orbital calculation unit 113 calculates the density matrix D, for example, the density matrix D represented by Expression 16-2 (S23). Next, the post-addition molecular orbital calculation unit 113 determines whether or not the density matrix D has converged (S24). As a result of the determination, if it has not converged (No), the post-addition molecular orbital calculation unit 113 returns the process to the process S21, whereas if it has converged (Yes), the post-addition molecular orbital calculation unit. 113 terminates the molecular orbital calculation process after the addition of the fragment.

図3に戻って、そして、付加後分子軌道演算部113は、出発クラスタにフラグメントを付加したものが演算対象物であるか否かを判断する(S14)。判断の結果、演算対象物ではない場合には、付加後分子軌道演算部113は、処理S13で求めた出発クラスタにフラグメントを付加したものを新たな出発クラスタと見なし、新たな出発クラスタの分子軌道を領域局在化処理部112に通知して処理を処理S12に戻す。一方、判断の結果、演算対象物である場合には、付加後分子軌道演算部113は、処理S21乃至処理S24の結果を用いて、DTotal及びWTotalを演算し、ETotalを演算し、そして、これらを出力部13に出力し、この分子軌道の演算を終了する。もちろん、この処理S13で求めた出発クラスタにフラグメントを付加したものが演算対象物になるまで繰り返す処理S12乃至処理S14の処理において、背景技術と同様に、フラグメントとの相互作用に寄与しないことから電子状態を固定することによって、アクティブLMO領域から遠く離れたフローズンAO領域を計算対象から外し、一定の長さのアクティブAO領域において実行し、そして、このアクティブAO領域をフラグメントが付加されるごとにフラグメントが付加される他方端側へ順次移動(シフト)する。 Returning to FIG. 3, the post-addition molecular orbital calculation unit 113 determines whether or not the addition of the fragment to the starting cluster is a calculation target (S14). As a result of the determination, if it is not a calculation object, the post-addition molecular orbital calculation unit 113 regards the starting cluster obtained in step S13 as a new starting cluster, and determines the molecular orbital of the new starting cluster. Is notified to the region localization processing unit 112, and the process returns to step S12. On the other hand, the result of the determination, when an arithmetic object is added molecular orbital computing section 113, processing S21 through using the result of the process S24, calculates the D Total and W Total, calculates the E Total, And these are output to the output part 13, and the calculation of this molecular orbital is complete | finished. Of course, in the processing of processing S12 to processing S14 that is repeated until the fragment obtained by adding the fragment to the starting cluster obtained in this processing S13 becomes an object to be calculated, it does not contribute to the interaction with the fragment as in the background art. By fixing the state, the frozen AO area far away from the active LMO area is excluded from the calculation target, and is executed in the active AO area of a certain length, and this active AO area is fragmented every time a fragment is added. Are sequentially moved (shifted) to the other end side to which is added.

このようにカットオフ処理を導入することにより、本実施形態に係るエロンゲーション法の分子軌道演算装置1は、通常の単純にSCF法を用いる場合よりも、さらに背景技術の方法を用いる場合よりも高速に分子軌道を演算することができる。このため、通常の単純にSCF法を用いる場合や背景技術の方法を用いる場合で実用的な時間内に演算することができなかった巨大分子について実用的な時間内に演算することができる。   By introducing the cut-off process in this way, the molecular orbital computing device 1 of the elongation method according to the present embodiment is more than the case of using the background art method more than the case of using the SCF method. Molecular orbitals can be calculated at high speed. For this reason, it is possible to perform calculations within a practical time for macromolecules that could not be calculated within a practical time when using an ordinary simple SCF method or when using a background art method.

一例として、20個のグリシン(glycine)から合成されるポリグリシン(polyglycine)の電子状態を演算する場合について、その演算時間の比較結果を示す。この演算は、5個のグリシンを出発クラスタとし、これに1個から15個までグリシンをフラグメントとして順次付加し、本実施形態に係る分子軌道演算方法による場合と、カットオフ処理を実行しないで領域局在化処理のみを実行した場合と、背景技術に係る分子軌道演算方法による場合とでそれぞれ実行した。分子軌道演算装置は、CPUが3GHzのペンティアム(登録商標)4であるパーソナルコンピュータによって構成した。   As an example, in the case of calculating the electronic state of polyglycine synthesized from 20 glycines, the comparison results of the calculation times are shown. In this calculation, 5 glycine is used as a starting cluster, 1 to 15 glycines are sequentially added as fragments, and the region is calculated by the molecular orbital calculation method according to the present embodiment without performing the cut-off process. It was executed in the case where only the localization process was executed and in the case where the molecular orbital calculation method according to the background art was used. The molecular orbital computing device was constituted by a personal computer having a Pentium (registered trademark) 4 with a CPU of 3 GHz.

図5は、ポリグリシンの演算時間の比較結果を示すグラフである。図5の横軸は、フラグメントとしてのグリシンの個数を示し、その縦軸は、秒単位のSCFの計算時間を示す。折れ線Xは、本実施形態による場合におけるSCFの演算時間を示し、●は各測定値を示す。折れ線Yは、カットオフ処理を実行しないで領域局在化処理のみを実行した場合におけるSCFの演算時間を示し、▲は各測定値を示す。そして、折れ線Zは、背景技術による場合におけるSCFの演算時間を示し、■は各測定値を示す。   FIG. 5 is a graph showing a comparison result of calculation times of polyglycine. The horizontal axis in FIG. 5 indicates the number of glycines as fragments, and the vertical axis indicates the SCF calculation time in seconds. A broken line X indicates the SCF calculation time in the case of the present embodiment, and ● indicates each measured value. A broken line Y indicates the SCF calculation time when only the region localization processing is executed without executing the cut-off processing, and ▲ indicates each measured value. A broken line Z indicates the calculation time of SCF in the case of the background art, and ■ indicates each measured value.

図6は、ポリグリシンの分子構造を示す図である。●は水素原子(H)を表し、左斜め斜線模様の○は炭素原子(C)を表し、右斜め斜線模様の○は窒素原子(N)を表し、そして、格子模様の○は酸素原子(O)を表す。   FIG. 6 is a diagram showing the molecular structure of polyglycine. ● represents a hydrogen atom (H), ○ in the diagonally oblique left pattern represents a carbon atom (C), ○ in the diagonally oblique diagonal pattern represents a nitrogen atom (N), and ○ in the lattice pattern represents an oxygen atom ( O).

図5の折れ線Yと折れ線Zを比較すると分かるように、カットオフ処理を実行しないで領域局在化処理のみを実行したSCFの演算時間は、背景技術による場合におけるSCFの演算時間に較べて短くなっいる。即ち、カットオフ処理を実行しないで領域局在化処理のみを実行した分子軌道演算装置でも背景技術の場合に較べてより高速である。そして、フラグメントの個数の増加に従って本実施形態による場合におけるSCFの演算時間と背景技術による場合におけるSCFの演算時間との差が大きくなっており、巨大分子の電子状態を演算する場合ほど、背景技術の場合に較べて優位である。   As can be seen by comparing the polygonal line Y and the polygonal line Z in FIG. 5, the computation time of the SCF in which only the region localization processing is performed without performing the cut-off processing is shorter than the computation time of the SCF in the case of the background art. It has become. That is, a molecular orbital calculation device that executes only the region localization process without executing the cut-off process is faster than the background art. As the number of fragments increases, the difference between the SCF operation time in the case of the present embodiment and the SCF operation time in the case of the background technology increases, and the background technology increases as the electronic state of the macromolecule is calculated. It is superior to the case of.

さらに、図5の折れ線Xと折れ線Z及び折れ線Yを比較すると分かるように、本実施形態のカットオフ処理の導入による場合におけるSCFの演算時間は、背景技術による場合におけるSCFの演算時間に較べて短くなっており、さらに、上述の式13を用いた場合におけるSCFの演算時間に較べても短くなっている。即ち、カットオフ処理を導入した本実施形態に係るエロンゲーション法の分子軌道演算装置1は、背景技術の場合に較べても式13を用いた場合に較べてもより高速である。そして、フラグメントの個数の増加に従って、カットオフ処理を導入した本実施形態による場合におけるSCFの演算時間と背景技術による場合におけるSCFの演算時間との差がかなり大きくなっており、巨大分子の電子状態を演算する場合ほど、背景技術の場合に較べて本実施形態に係るエロンゲーション法の分子軌道演算装置1は、かなり優位である。   Further, as can be seen by comparing the broken line X with the broken line Z and the broken line Y in FIG. 5, the SCF calculation time in the case of introducing the cut-off process of this embodiment is compared with the SCF calculation time in the case of the background art. Further, it is shorter than the calculation time of the SCF in the case where the above-described Expression 13 is used. That is, the molecular orbital computing device 1 of the elongation method according to the present embodiment in which the cut-off process is introduced is faster than both the background art and the case where the equation 13 is used. As the number of fragments increases, the difference between the SCF calculation time in the case of the present embodiment in which cut-off processing is introduced and the SCF calculation time in the case of the background art is considerably large, and the electronic state of the macromolecule As compared with the background art, the molecular orbital computing device 1 of the elongation method according to the present embodiment is considerably superior.

また、他の一例として、グリシンをフラグメントとしてポリグリシン(CH−[CO−NH−CH−CO−NH)を合成した場合におけるエネルギを出発クラスタを変えて演算した。この演算は、STO−3Gを基底関数系として用い、本実施形態に係る分子軌道演算方法及びカットオフ処理を実行しないで領域局在化処理のみを実行した分子軌道演算方法により、5及び9個のグリシンを出発クラスタとした各場合について、ポリグリシンが20個のグリシンに基づいて構成されるようになるまでグリシンをフラグメントとして順次に付加してそれぞれ実行した。その結果を表1に示す。 As another example, poly-glycine glycine as a fragment - were computed by changing the starting cluster energy in the case of synthesizing the (CH 3 [CO-NH- CH 2] N -CO-NH 2). This calculation is performed using five or nine molecular orbital calculation methods that use only STO-3G as a basis function system and perform only the region localization process without executing the molecular orbital calculation method according to the present embodiment and the cutoff process. In each case where the starting glycine was used as a starting cluster, glycine was sequentially added as fragments until the polyglycine was composed based on 20 glycines. The results are shown in Table 1.

Figure 2006092421
Figure 2006092421

ここで、表1の“Exact”の欄は、背景技術による全系に対する通常の分子軌道計算によって得られたエネルギー値であり、“Elongation Nst=5”の欄及び“Elongation Nst=9”の欄は、5個及び9個のグリシンを出発クラスタとした各演算結果であり、そして、これら各欄には、カットオフ処理を実行しないで領域局在化処理のみを実行した分子軌道演算方法の演算結果(No cut−off)、及び、本実施形態に係る分子軌道演算方法の演算結果(cut−off)がそれぞれ示されている。 Here, the column “Exact” in Table 1 is an energy value obtained by normal molecular orbital calculation for the entire system according to the background art, and the column “Elongation N st = 5” and “Elongation N st = 9”. Columns are calculation results with 5 and 9 glycines as starting clusters, and in these columns, molecular orbital calculation methods in which only region localization processing is performed without performing cut-off processing. The calculation result (No cut-off) and the calculation result (cut-off) of the molecular orbital calculation method according to the present embodiment are respectively shown.

表1から分かるように、出発クラスタの大きさ(長さ)が大きいほど、本実施形態に係る分子軌道演算方法よる演算結果は、正確なエネルギー値と略一致する。そして、本実施形態に係る分子軌道演算方法による演算結果は、カットオフ処理を実行しないで領域局在化処理のみを実行した分子軌道演算方法の演算結果と同等である。   As can be seen from Table 1, as the size (length) of the starting cluster is larger, the calculation result by the molecular orbital calculation method according to the present embodiment substantially matches the accurate energy value. The calculation result by the molecular orbital calculation method according to the present embodiment is equivalent to the calculation result of the molecular orbital calculation method in which only the region localization process is executed without executing the cut-off process.

実施形態におけるエロンゲーション法の分子軌道演算装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the molecular orbital calculation apparatus of the elongation method in embodiment. 直交原子軌道基底の密度行列DOAOを領域原子軌道ROに変換する変換行列Tの求め方を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation method of the conversion matrix T which converts the density matrix DOAO of an orthogonal atomic orbital basis into the area | region atomic orbital RO. エロンゲーション法の分子軌道演算装置の動作を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows operation | movement of the molecular orbital calculating apparatus of an elongation method. カットオフ処理を実行してフラグメント付加後の分子軌道演算処理を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the molecular orbital calculation process after performing a cutoff process and adding a fragment. ポリグリシンの演算時間の比較結果を示すグラフである。It is a graph which shows the comparison result of the calculation time of polyglycine. ポリグリシンの分子構造を示す図である。It is a figure which shows the molecular structure of polyglycine. 背景技術におけるエロンゲーション法により分子の電子状態を求める分子軌道演算方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the molecular orbital calculation method which calculates | requires the electronic state of a molecule | numerator by the elongation method in background art. エロンゲーション法により分子の電子状態を求める分子軌道演算方法を説明するために各処理における分子軌道を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the molecular orbital in each process in order to demonstrate the molecular orbital calculation method which calculates | requires the electronic state of a molecule | numerator by the elongation method. アクティブLMOにフラグメントを付加する場合の演算を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the calculation in the case of adding a fragment to active LMO. エロンゲーション法の逐次計算を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the sequential calculation of the elongation method.

符号の説明Explanation of symbols

1 エロンゲーション法の分子軌道演算装置
11 演算処理部
12 入力部
13 出力部
14 内部記憶部
15 外部記憶部
16 補助記憶部
17 通信インタフェース部
111 分子軌道演算部
112 領域局在化演算部
113 付加後分子軌道演算部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Molecular orbital calculation apparatus 11 of an elongation method Operation processing part 12 Input part 13 Output part 14 Internal storage part 15 External storage part 16 Auxiliary storage part 17 Communication interface part 111 Molecular orbital calculation part 112 Area localization calculation part 113 After addition Molecular orbital calculator

Claims (4)

エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求めるエロンゲーション法の分子軌道演算装置において、
前記自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、
アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、
アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、
フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行すること
を特徴とするエロンゲーション法の分子軌道演算装置。
In the molecular orbital computing device of the elongation method, which uses the self-consistent field method for the elongation method to obtain the electronic state of the molecule,
When creating a Fock matrix in the operation of the self-consistent field method,
The two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is: r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−n A , u ′ = u−n A (n A is frozen) If the end segment number of the orbit is defined, the range satisfying r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0 and the range satisfying r ′> 0 and s ′, t ′, u ′ ≦ 0 are approximated to 0. A range satisfying r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0, a range satisfying t ′> 0 and r ′, u ′ ≦ 0, and r ′, s ′, t ′> 0 and u ′. A range satisfying ≦ 0 is calculated,
The two-electron integral (rs | tu) between each fragment of the active AO region and the fragment to be added is calculated by the Coulomb term and the exchange term,
The molecular orbital computing device of the elongation method, wherein the two-electron integral (rs | tu) between the frozen AO region and the fragment to be added performs a cut-off process in which a coulomb term is computed.
エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求めるエロンゲーション法の分子軌道演算方法において、
前記自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、
アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、
アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、
フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行すること
を特徴とするエロンゲーション法の分子軌道演算方法。
In the molecular orbital calculation method of the elongation method, which uses the self-consistent field method for the elongation method to obtain the electronic state of the molecule,
When creating a Fock matrix in the operation of the self-consistent field method,
The two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is: r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−n A , u ′ = u−n A (n A is frozen) If the end segment number of the orbit is defined, the range satisfying r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0 and the range satisfying r ′> 0 and s ′, t ′, u ′ ≦ 0 are approximated to 0. A range satisfying r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0, a range satisfying t ′> 0 and r ′, u ′ ≦ 0, and r ′, s ′, t ′> 0 and u ′. A range satisfying ≦ 0 is calculated,
The two-electron integral (rs | tu) between each fragment of the active AO region and the fragment to be added is calculated by the Coulomb term and the exchange term,
The molecular orbital calculation method of the elongation method, wherein the two-electron integral (rs | tu) between the frozen AO region and the fragment to be added performs a cut-off process in which a coulomb term is calculated.
エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求める、コンピュータに実行させるためのエロンゲーション法の分子軌道演算プログラムにおいて、
前記自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、
アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、
アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、
フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行すること
を特徴とするエロンゲーション法の分子軌道演算プログラム。
In the molecular orbital calculation program for the elongation method to be executed by a computer, the electronic state of the molecule is calculated using the self-consistent field method for the elongation method.
When creating a Fock matrix in the operation of the self-consistent field method,
The two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is: r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−n A , u ′ = u−n A (n A is frozen) If the end segment number of the orbit is defined, the range satisfying r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0 and the range satisfying r ′> 0 and s ′, t ′, u ′ ≦ 0 are approximated to 0. A range satisfying r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0, a range satisfying t ′> 0 and r ′, u ′ ≦ 0, and r ′, s ′, t ′> 0 and u ′. A range satisfying ≦ 0 is calculated,
The two-electron integral (rs | tu) between each fragment of the active AO region and the fragment to be added is calculated by the Coulomb term and the exchange term,
The molecular orbital calculation program of the elongation method, wherein the two-electron integral (rs | tu) between the frozen AO region and the fragment to be added executes a cut-off process in which a coulomb term is calculated.
エロンゲーション法に自己無撞着場法を用いて分子の電子状態を求める、コンピュータに実行させるためのエロンゲーション法の分子軌道演算プログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体において、
前記自己無撞着場法の演算におけるフォック行列を作成する際に、
アクティブAO領域の2電子積分(rs|tu)は、r’=r−n、s’=s−n、t’=t−n、u’=u−n(nはフローズン軌道の末端セグメントの番号)を定義すると、r’,s’,t’,u’≦0を満たす範囲及びr’>0かつs’,t’,u’≦0を満たす範囲が0と近似され、r’,s’>0かつt’,u’≦0を満たす範囲、t’>0かつr’,u’≦0を満たす範囲及びr’,s’,t’>0かつu’≦0を満たす範囲が演算され、
アクティブAO領域の各フラグメントと付加するフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項及び交換項が演算され、
フローズンAO領域と付加するのフラグメントとの間の2電子積分(rs|tu)は、クーロン項が演算されるカットオフ処理を実行すること
を特徴とする記録媒体。
In a computer-readable recording medium in which a molecular orbital calculation program of an elongation method for obtaining a computer is obtained by using a self-consistent field method for the elongation method, and causing the computer to execute the program.
When creating a Fock matrix in the operation of the self-consistent field method,
The two-electron integral (rs | tu) of the active AO region is: r ′ = r−n A , s ′ = s−n A , t ′ = t−n A , u ′ = u−n A (n A is frozen) If the end segment number of the orbit is defined, the range satisfying r ′, s ′, t ′, u ′ ≦ 0 and the range satisfying r ′> 0 and s ′, t ′, u ′ ≦ 0 are approximated to 0. A range satisfying r ′, s ′> 0 and t ′, u ′ ≦ 0, a range satisfying t ′> 0 and r ′, u ′ ≦ 0, and r ′, s ′, t ′> 0 and u ′. A range satisfying ≦ 0 is calculated,
The two-electron integral (rs | tu) between each fragment of the active AO region and the fragment to be added is calculated by the Coulomb term and the exchange term,
A two-electron integral (rs | tu) between a frozen AO region and an added fragment executes a cut-off process in which a coulomb term is calculated.
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